Estudo genômico comprova teoria ecológica clássica em microrganismos
Desde Charles Darwin, no século XIX, uma questão central da Ecologia é entender como a disponibilidade de recursos molda a competição entre os seres vivos e define quem consegue coexistir. É uma ideia intuitiva quando pensamos em grandes predadores, como leões e hienas, ao redor de um antílope, por exemplo, mas testar a teoria em escala ampla é muito mais difícil, especialmente quando o palco é o mundo invisível dos microrganismos.
Vamos pensar juntos: entre o intestino humano e o vasto oceano, qual ambiente parece mais rico? É improvável que algum leitor humano deste texto escolha, literalmente, o próprio umbigo diante desta questão. Mas, para os microrganismos, a resposta é clara: o intestino humano, recebendo alimento todos os dias, é muito mais abundante em nutrientes na comparação com o imenso universo marinho, onde tudo está extremamente diluído.
A competição por recursos é a força mais relevante no estabelecimento de padrões de biodiversidade e funções ecossistêmicas. É ela que define quais organismos prosperam ou declinam em uma determinada comunidade, com efeitos em serviços ecossistêmicos que vão de remediação de contaminantes e ciclagem de nutrientes à regulação do clima e à saúde humana. Porém, embora seja uma das ideias mais importantes e antigas da teoria ecológica, demonstrar diretamente esse processo em comunidades naturais sempre foi um grande desafio científico.
Grupo de pesquisa liderado por Hugo Sarmento, docente na UFSCar, desenvolveu ferramenta computacional que, a partir de informações de mais de 14 mil genomas de microrganismos, permitiu a realização dessas medidas com precisão e, assim, a identificação de padrões que corroboram de forma robusta a teoria que remonta ao trabalho de Charles Darwin.
A hipótese derivada dessa teoria, e agora sustentada pelos resultados do estudo, é que ambientes mais escassos em nutrientes favoreceriam organismos especializados, ou seja, consumidores de nichos nutricionais específicos, que assim repartiriam o espectro de recursos limitados, com reduzida sobreposição de nichos. De outro lado, ambientes produtivos, com abundância de recursos, deveriam acomodar maior sobreposição e, assim, favorecer microrganismos generalistas, ou seja, capazes de metabolizar uma maior variedade de nutrientes. Isso porque, nesses ambientes, apesar da sobreposição de nichos entre espécies distintas intensificar a competição, não provoca a exclusão de espécies, justamente por existirem recursos em quantidade suficiente à manutenção de todos os organismos.
O trabalho foi publicado no final de abril em uma das principais revistas científicas do mundo, a PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), com o título “Resource availability structures microbial competition through genomic niche partitioning”. O primeiro autor é Célio Dias Santos-Júnior, que realizou estágio de pós-doutorado no Departamento de Hidrobiologia da UFSCar, com supervisão de Sarmento, e hoje é professor na Universidade Agrícola de Huazhong, na China. Participam também, além de Santos-Júnior e Sarmento, colegas de universidades da Colômbia, Argentina e, também no Brasil, do Instituto de Biologia da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).
No estudo, foram analisados e comparados genomas de quatro microbiomas distintos, em um gradiente do mais rico – a microbiota intestinal – para o mais pobre em nutrientes – o oceano, passando por solo e água doce (rios e lagos). Utilizando ferramenta computacional desenvolvida pela própria equipe – nomeada CaCo, de Carbon Competition (competição por carbono, no Inglês, já que o foco ficou em fontes de carbono, primordiais na aquisição de energia) –, foi possível identificar as moléculas metabolizadas por esses microrganismos e, assim, os nichos e as sobreposições. “Se dois organismos metabolizam frutose, sacarose e glucose, e só essas moléculas, a sobreposição entre eles é total e, assim, apresentam o mais elevado índice de competição. Agora, no outro extremo, se uma espécie só metaboliza frutose, e a outra sacarose e glucose, não há competição”, exemplifica Sarmento.
Os resultados da análise revelaram que o potencial genômico para competição microbiana segue regras previsíveis, moldadas tanto pela disponibilidade de recursos – como previsto, mais recursos, mais competição, menos recursos, maior especialização e, portanto, menor competição – quanto pela história evolutiva dos organismos, com organismos mais próximos apresentando maior sobreposição.
“Um aspecto de destaque é que os resultados obtidos pela ferramenta computacional não ficaram restritos às simulações: eles foram testados e confirmados em experimentos reais, mostrando que as previsões feitas a partir do DNA também se verificam no mundo real”, detalha o pesquisador da UFSCar. Com a publicação, a ferramenta agora está disponível para outros pesquisadores com interesse em estudos semelhantes. “Além de reforçar uma teoria clássica da Ecologia, o trabalho abre caminho para prever, com base no DNA, como microbiomas podem se organizar e responder a mudanças ambientais”, conclui Sarmento.
No Brasil, a pesquisa teve apoio financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq (Processo 304655/2025-2) e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo – Fapesp (Processos 22/15842-6, 24/10815-6, 23/02850-3, 20/11953-2, 20/03716-0 e 22/14160-9). A equipe também recebeu recursos do laboratório chinês Hubei Hongshan e da União Europeia, que financiou o projeto AtlantECO, do qual Hugo Sarmento foi um dos coordenadores.